B Optische Partikelzähler

B Optische Partikelzähler
In
den folgenden Unterkapiteln wird der Versuchsaufbau zur Messung von
Streulichtsignalen, das PC gestützte Meßsystem und der kommerzielle Partikelzähler
LPC 3751 in seiner Funktion beschrieben.
B.1 Versuchsaufbau zur Messung von Streulicht
Es ist ein optisches Meßsystem zur Detektion kleinster Partikel bei extremen Änderungen
des thermodynamischen Zustandes entwickelt worden. Die Elektronik, Laserdiode und
Photodetektor befinden sich außerhalb des Gehäuses. Sie sind somit von dem
thermodynamischen
Zustand
des
Aerosols
unabhängig.
Das
Licht
wird
mit
Lichtwellenleitern in bzw. aus dem Meßvolumen geführt. Die Abbildung B.1 zeigt den
Versuchsaufbau zur Messung, Analyse und Filterung von Streulichtsignalen.
133
B Optische Partikelzähler
Beleuchtungs- und
Detektionseinheit
Lichtwellenleiter
Flow-Contoller
Meßkammer
Transientenrekorder
und Auswerteeinheit
Spannungsquellen
Abbildung B.1
Versuchsaufbau zur
Streulichtsignalen
Messung,
Analyse
und
Filterung
von
B.1.1 Beleuchtung des Meßvolumens
Zur Beleuchtung des Meßvolumens wird eine Laserdiode verwendet, die eine maximale
Lichtleistung von 40 mW bei einer Wellenlänge von 777 nm liefert. Der Laserstrahl wird
kollimiert und in einen 1,5 m langen Lichtwellenleiter mit einem Außendurchmesser von
1 mm eingekoppelt. Beim Austreten des Lichtes beträgt die Lichtleistung nur noch 30 mW.
Die Ein- und Auskopplungseffektivität liegt somit bei 75 %. Der ausgetretene Laserstrahl
wird mit einer asphärischen Linse auf das Meßvolumen fokussiert. Die Lichtleistung in
dem Meßvolumen beträgt 27,3 mW und besitzt einen Durchmesser von 2,45 mm. Der
Durchmesser des Lasers wurde dadurch bestimmt, indem das Profil der Bestrahlungsstärke
134
B Optische Partikelzähler
mit einem Laser Beam Diagnostic System gemessen worden ist. Der Strahldurchmesser ist
definiert durch den Abfall der Bestrahlungsstärke auf den 1/e2-fachen Wert des
Maximalwertes einer Gaußschen Kurve. Die Abbildung B.2 zeigt das Profil der
Bestrahlungsstärke des Laserstrahls mit einer gaußförmigen Verteilung in der Meßebene.
1.4
W/m2
1.2
1
0.8
m
I
0.01425
0.6
0.01375
0.01325
0.4
0.01275
0.01225
0.2
b
0.01175
Abbildung B.2
0.01075
0.0188
0.0188
0.01825
0.01875
h
0.01775
0.01125
0.01725
0.01675
0.01625
0
m
Dreidimensionale Darstellung des Profils der Bestrahlungsstärke I des
Laserstrahls
Zur Bestimmung des Durchmessers des Laserstrahls im Meßvolumen wird das Profil der
Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit vom Abstand zur Linse gemessen. Die Messung zeigt,
daß der Durchmesser des Laserstrahls zum Meßvolumen abnimmt und danach zunimmt
(Tabelle B.1, Abbildung B.3). Der Durchmesser in dem Brennpunkt beträgt 2,45 mm.
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Tabelle B.1
Durchmesser dL des Laserstrahls in Abhängigkeit vom Abstand lAbstand zur
Optik
Abstand
Durchmesser des Laserstrahls
30 mm
4,09 mm
40 mm
2,67 mm
45 mm
2,52 mm
45,6 mm
2,45 mm
45,8 mm
2,49 mm
46 mm
2,53 mm
47 mm
2,61 mm
50 mm
3,38 mm
5
mm
4
3
dL
2
1
0
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48 mm 50
l Abstand
Abbildung B.3
Durchmesser dL des Laserstrahls in Abhängigkeit vom Abstand lAbstand
zur Optik
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Der Laserstrahl wird hinter dem Meßvolumen, im Abstand von 60 mm, durch eine
Strahlfalle absorbiert.
B.1.2 Streulichtdetektion
Das Streulicht vom Meßvolumen wird mit einem Achromat gesammelt und in einen
Lichtwellenleiter (LWL) mit einem Durchmesser von 1 mm, eingekoppelt. Am Ende des
LWL wandelt ein Photodetektor das Streulicht in elektrische Signale um.
Das Einkoppeln des Lichtes in den Lichtwellenleiter darf einen bestimmten Winkel nicht
überschreiten, da er durch die numerische Apertur des LWL´s festgesetzt wird. Die Größe
der Linse und der maximale Winkel α´ legen den Abstand a´ zwischen dem LWL und der
Linsenanordnung fest.
Die Linsenanordnung zur Sammlung des Streulichtes ist so dimensioniert worden, daß der
Streulichtwinkel α maximal ist (90°). Die folgende Abbildung B.4 zeigt schematisch die
Anordnung.
α
α´
h´
h
a´
a
Abbildung B.4
Schematische Darstellung eines Linsensystems zur Sammlung und
Fokussierung von Streulicht
137
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Die gegebene Anordnung vergrößert die Objekte im Meßvolumen mit der Größe h wie ein
Mikroskop um den Faktor Γ´ auf die Größe h´. Der Faktor berechnet sich mit der
Gleichung B.1 bzw. mit der Gleichung B.3.
tan α ′
tan α
(B.1)
h
α = arctan 
a
(B.2)
Γ′ =
Γ′ =
Mit den Gerätekenngrößen
a′
a
(B.3)
a´=47,93 mm, a=11,8 mm und dem Radius des LWL´s von
h´=0,5 mm ergibt sich ein Vergrößerungsfaktor von Γ´=4,062 und h=123 µm. Das
Meßvolumen hat somit einen Durchmesser von 246 µm.
Eine absolut scharfe Abbildung in der Abbildungsebene ist nur dann möglich, wenn der
Gegenstand sich in der Objektebene befindet [25, 26]. Punkte, die vor oder hinter der
Objektebene liegen, werden in der Abbildungsebene als Unschärfekreis dargestellt. Bis zu
einem Wert U´ kann die Unschärfe toleriert werden. Die Grenzen ah und av geben den
Bereich an, der auf der Abbildungsebene scharf dargestellt wird (Abbildung B.5).
Objektebene
Abbildungsebene
U´
av
a
a´
ah
Abbildung B.5
Schärfentiefe ∆a
138
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Die Grenzen werden durch
a ⋅ a′ 2
ah = 2
und
a′ + u′ ⋅ K ⋅ (a + a′)
(B.4)
a ⋅ a′ 2
a′ 2 − u′ ⋅ K ⋅ (a + a′)
(B.5)
av =
berechnet, wobei sich die Blendenzahl K aus der Division von der Brennweite a´ und dem
Objektivdurchmesser d berechnet.
K=
a′
d
(B.6)
Die Schärfentiefe ∆a errechnet sich aus der Subtraktion der Grenzen.
∆a = av − ah
(B.7)
Für einen optischen Partikelzähler, der nach dem Streulichtmeßverfahren arbeitet, besitzt
die Detektionsoberfläche den Durchmesser des Unschärfekreises. Auf dem Detektor fällt
nur das Streulicht, das sich zwischen den Grenzen ah und aV befindet. Das Meßvolumen
berechnet sich aus der Querschnittsfläche des Lichtstrahls und der Schärfentiefe.
Mit den gegebenen Werten berechnet sich die Schärfentiefe oder die Länge des
Meßvolumens zu ∆a = 4,71 mm. Da der berechnete Wert größer ist als der Durchmesser
des Laserstrahls, ist ∆a gleich dem Durchmesser des Laserstrahls (∆a = 2,45 mm).
Das Meßvolumen wird hier durch die Breite des Laserstrahls und mit dem Durchmesser
des Lichtwellenleiters auf die Höhe von 246 µm und auf eine Länge von 2,45 mm
begrenzt. Die folgende Abbildung B.6 zeigt das Profil der Bestrahlungsstärke des
Laserstrahls im Meßvolumen.
139
B Optische Partikelzähler
1.2
2
W/m
0.8
I
0.4
2,46 µm
2,45 mm
0
0.016275
0.017275
0.018275
0.0188
l
Abbildung B.6
0.071538462
m
Bestrahlungsstärkeprofil des Laserstrahls im Meßvolumen
B.1.3 Gehäuse
Die
Meßeinrichtung
soll
Streulicht
von
Aerosolen
mit
unterschiedlichen
thermodynamischen Zuständen messen können. Die zu verändernden Zustände sind Druck,
Temperatur und Gasart. Für die Variation des Druckes bis 50 bar muß das Gehäuse der
Meßeinrichtung nach den AD-Merkblättern ausgelegt und berechnet werden. Zum Aufbau
des Gehäuses sind zwei Vorschweißflansche, ein nahtloses Stahlrohr und zwei
Blindflansche verwendet worden. Alle verwendeten Bauelemente entsprechen der DINNormen für den Nenndruck von 64 bar. Die Abbildung B.1 zeigt den Behälter auf seinem
Gestell.
140
B Optische Partikelzähler
B.1.4 Aerosolführung
Das Aerosol wird für die jeweiligen Messungen unterschiedlich dem Meßvolumen
zugeführt. Zur Messung des Streulichtes von verschiedenen Gasen, bei unterschiedlichen
Drücken müssen diese vorher gefiltert werden. Das Gas wird mit einem radial gefaltetem
Filter gereinigt. Das Gas strömt in die Mitte des Filters ein und strömt radial heraus. Das
radiale Ausströmen hat den Vorteil, daß das Gas in dem Behälter gut verteilt wird.
Zur Messung des Streulichtes in Abhängigkeit der Temperatur oder zur Funktionsprüfung
mit Latex-Partikel, wird das Aerosol mit einer Kapilare bis zum Rand des Meßvolumens
geleitet. Der Innendurchmesser der Kapilare beträgt nur 1 mm.
B.1.5 Justierung der Optik auf das Meßvolumen
Die Optiken zur Fokussierung und zur Detektion müssen so justiert werden, daß die
Brennpunkte sich im Meßvolumen befinden. Durch die Mitte des Meßvolumens ist ein
Faden mit einem Durchmesser von 25µm gespannt worden. Das Meßvolumen wurde dann
jeweils von den optischen Systemen beleuchtet. Mit einer Mikroskopoptik ist dann das
Meßvolumen mit dem Faden vergrößert auf eine Ebene abgebildet worden. Die
Linsensysteme sind so eingestellt worden, daß das Meßvolumen und der Faden scharf auf
die Ebene abgebildet wurden.
141
B Optische Partikelzähler
B.1.6 Funktionsprüfung und Kalibrierung
Das optische Meßsystem ist mit unterschiedlichen Partikelgrößen kalibriert und mit der
berechneten Kalibrierkurve verglichen worden. Die Abbildung B.7 zeigt die Kalibrierkurve
des optischen Meßsystems für Latex-Partikel mit Brechungsindex von 1,59.
1E-08
W
1E-11
1E-14
P
Berechnung
Messung
1E-17
1E-20
10
100
nm 1000
Dp
Abbildung B.7
Kalibrierkurve der Eigenentwicklung
Die Abbildung B.8 zeigt ein typisches gemessenes Partikelsignal mit einem Durchmesser
von 899 nm. Der Verstärkungsfaktor des Photomultipliers ist bei dieser Messung auf
40 V/nW eingestellt worden. Der Verstärkungsfaktor VPMT des Photomultipliers
PMT 5751-50 von Hamamatsu kann mit der angelegten Hochspannung in der Röhre, bei
einer Wellenlänge von λ = 777 nm, eine maximale Verstärkung von 200 V/nW erreichen
(Abbildung B.9).
142
B Optische Partikelzähler
3
V
2.5
2
1.5
U
1
0.5
0
-0.5
-1
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450 µs 500
t
Abbildung B.8
Typisches Partikelsignal
1000
V/nW
100
A V,PMT
10
1
0.1
0.1
1
kV 10
Uc
Abbildung B.9
Empfindlichkeit AV,PMT des Photomultipliers in Abhängigkeit von der
Spannung in der Röhre
143
B Optische Partikelzähler
B.1.7 Auswerteeinheit für die Streulichtsignale
Zur Messung der Streulichtsignale ist ein Transientenrekorder aufgebaut worden. Er
besteht aus einem herkömmlichen PC mit einem A/D-Wandler und einem Meßverstärker
(Abbildung B.10). Der A/D-Wandler diskretisiert die analogen Signale mit einer
maximalen Abtastfrequenz von 1 MHz. Die abgetasteten Werte werden in einem Speicher
(FIFO) zwischengespeichert und nach der Messung in den Speicher des Computers
eingelesen. Die Signalgemische werden nach der Messung mit dem Transientenrekorder
analysiert und gefiltert
Abbildung B.10 Transientenrekorder mit Algorithmen zur Analyse und Filterung von
Streulichtsignalen
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B.2 Kommerzieller optischer Partikelzähler LPC 3751 von TSI
Der optische Partikelzähler LPC 3751 der Firma TSI arbeitet nach dem Streulichtprinzip
(Abbildung B.11). Er ist für die Überwachung von Reinräumen ausgelegt worden. Seine
Fehlzählrate beträgt 3,5 Partikel/m3 und besitzt zwei Größenklassen 05 µm und 5 µm. Der
Verstärkungsfaktor des Detektors und des Verstärkers beträgt 73,5 mV/nW bei einer
Bandbreite von 12 kHz.
Aerosol
Blende
Raumwinkel
Strahlfalle
Photodetektor
Signalausgang
Partikelstreulicht
Lichtquelle
Meßvolumen
Pumpe
Abbildung B.11 Schematischer Aufbau des optischen Partikelzählers LPC 3751
Die berechnete Kalibrierkurve des Partikelzählers LPC 3751 für Latex-Partikel mit dem
Brechungsindex von 1,59 ist in den Abbildungen B.12 und B.13 dargestellt. Sie ist mit
synthetisch erzeugten Kalibrieraerosolen, die eine definierte Partikelgröße besitzen,
überprüft worden.
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